- Come si può leggere lo spin nucleare di un solo atomo?
- Cosa significa per il futuro della fisica quantistica e della tecnologia quantica?
Un microscopio rivela i salti quantistici dello spin nucleare di un singolo atomo in tempo reale
Un gruppo di ricerca dell’Università Tecnologica di Delft ha compiuto un passo storico nella fisica quantistica: per la prima volta, è stato possibile leggere in tempo reale lo spin nucleare di un singolo atomo di titanio, aprendo nuove prospettive nella computazione quantistica e nello sviluppo di sensori atomici ultraprecisi.
Leggere lo spin di un solo atomo: un traguardo della fisica quantistica
La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature Communications, rappresenta molto più di una semplice impresa tecnica. Si tratta di una nuova frontiera nella manipolazione dei qubit atomici, essenziale per l’evoluzione di tecnologie come la quantum computing, i sensori quantistici e i simulatori molecolari.
Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a osservare direttamente lo stato quantistico interno del nucleo di un atomo individuale. Non si tratta di un’immagine o di un calcolo statistico, ma di una misurazione reale e immediata, come se fosse possibile “ascoltare” il battito quantistico di un solo atomo.
Cos’è lo spin nucleare e perché è così difficile da osservare
Lo spin è una proprietà quantistica delle particelle subatomiche, simile a una forma di magnetismo intrinseco. Mentre lo spin degli elettroni è già stato osservato in tempo reale grazie a tecnologie avanzate, lo spin del nucleo atomico si è rivelato più difficile da rilevare. Il motivo? Il nucleo è isolato dal suo ambiente molto più degli elettroni, il che lo rende meno accessibile ma anche più stabile e coerente nel tempo.
Questa stabilità lo rende ideale per applicazioni quantistiche, ma fino ad oggi la sua rilevazione diretta era considerata irraggiungibile.
Due tecniche avanzate combinate per un risultato rivoluzionario
Il team di ricerca olandese ha risolto il problema combinando due tecnologie sofisticate:
- la microscopia a effetto tunnel (STM), che consente di posizionare una punta metallica su un singolo atomo;
- la risonanza di spin elettronico (ESR), che utilizza onde radio per manipolare lo spin degli elettroni.
Attraverso l’interazione iperfine tra lo spin dell’elettrone e quello del nucleo, è stato possibile rilevare indirettamente lo stato dello spin nucleare. Utilizzando una frequenza radio specifica, è stata stimolata la risonanza solo quando il nucleo si trovava in un particolare stato quantico.
Osservare un salto quantistico in tempo reale
Durante l’esperimento, gli scienziati hanno assistito a un momento straordinario: un cambiamento netto nella corrente misurata sopra l’atomo di titanio ha segnalato un vero e proprio salto quantistico dello spin nucleare, ovvero il passaggio da uno stato a un altro.
Questo ha permesso una lettura single-shot (a colpo singolo), senza la necessità di molteplici misurazioni ripetute. Il sistema ha raggiunto una fidelità di lettura fino al 98%, un risultato estremamente raro a questa scala.
Uno spin nucleare stabile per più di cinque secondi
Un aspetto cruciale della scoperta è la straordinaria stabilità dello spin nucleare: più di cinque secondi di coerenza, un tempo enorme nel mondo quantistico. A confronto, lo spin elettronico nello stesso atomo dura solo 100 nanosecondi.
Questa longevità rende lo spin nucleare un candidato perfetto per essere utilizzato in qubit quantistici robusti, capaci di mantenere le informazioni a lungo senza perdere coerenza.
Dettagli dell’esperimento: titanio, ossido di magnesio e argento
L’esperimento è stato condotto su atomi di titanio del 49Ti, scelti per il loro spin nucleare I = 7/2, posizionati sopra uno strato sottile di ossido di magnesio su una superficie d’argento.
Durante la fase di misurazione, sono stati inviati impulsi elettrici combinati con segnali a radiofrequenza. Dopo ciascun impulso, il sistema veniva lasciato “a riposo”, senza interferenze esterne, per poi essere nuovamente analizzato. In questo modo è stato possibile calcolare un tempo di rilassamento T1 di 5,3 ± 0,5 secondi, un record assoluto per questo tipo di esperimenti.
Interazione flip-flop: lo scambio di stato tra spin
Nel corso dell’esperimento, i ricercatori hanno esaminato come lo spin nucleare rispondeva a diverse condizioni, come la presenza continua di corrente o la modulazione della frequenza radio. Hanno così identificato l’interazione flip-flop, una forma di accoppiamento quantistico che permette lo scambio di stato tra spin elettronico e spin nucleare.
Questa interazione, se non controllata, può accorciare la durata della coerenza quantistica e rappresenta un parametro critico per i futuri sviluppi della tecnologia.
Applicazioni: dalla quantum computing ai sensori atomici
Le implicazioni del lavoro vanno ben oltre il laboratorio. Il controllo e la lettura dello spin nucleare di un solo atomo in tempo reale aprono la strada a:
- qubit quantistici più stabili e scalabili;
- sensori magnetici ultra-sensibili, in grado di rilevare variazioni minime di campo;
- simulatori quantistici molecolari, utili per la chimica, la biologia e i materiali avanzati.
A differenza di approcci basati su trappole di ioni o circuiti superconduttori, questa metodologia permette una manipolazione atomica diretta con precisione nanometrica.
Una tecnologia adattabile a molti altri sistemi fisici
Secondo gli autori, il metodo sviluppato non è limitato al titanio o all’ossido di magnesio. Potrebbe essere applicato anche ad altri sistemi atomici e molecolari, incluse superfici semiconduttrici e isolanti. Ciò rende la tecnica particolarmente versatile e promettente per numerose applicazioni future.
Inizia l’era della nanotecnologia quantistica
Questo esperimento rappresenta un passo deciso verso una nuova era dell’ingegneria quantistica a livello atomico. Non si tratta solo di osservare l’invisibile, ma di iniziare a controllarlo. Leggere e manipolare lo spin nucleare in tempo reale significa poter progettare sistemi quantistici su misura, dove più atomi collaborano in strutture complesse.
L’elevata fedeltà di lettura e la possibilità di integrare questi sistemi con tecnologie esistenti fanno di questa scoperta una pietra miliare nel percorso verso il quantum computing pratico e l’elettronica quantistica del futuro.
Fonte: Single-shot readout of the nuclear spin of an on-surface atom [Nature Communications]